Устройство для формирования низкочастотных доплеровских сигналов

 

Изобретение относится к области радиолокации и радионавигации и может быть использовано в моделирующих системах, предназначенных для исследования доплеровских измерителей скорости подвижных объектов. Цель изобретения - расширение области применения за счет увеличения диапазона выходных частот, задания и проверки отрицательных значений скоростей, и независимой регулировки средней частоты и ширины спектра. Поставленная цель достигается за счет того, что устройство имеет дешифратор адреса, счетчик адреса, счетчик, регистр ширины спектра, регистр частоты, триггер знака, регистр амплитуды, два блока памяти, генератор тактовых импульсов, три сумматора, шесть умножителей, два блока постоянной памяти, два преобразователя код-напряжение, два аналоговых фильтра (низких частот) с соответствующими связями между узлами устройства. 1 ил.

Изобретение относится к области радиолокации и радионавигации и может найти применение в моделирующих системах, предназначенных для исследования доплеровских измерителей скорости подвижных объектов. Цель изобретения - расширение области использования за счет увеличения диапазона выходных частот, задания и проверки отрицательных значений скоростей и независимой регулировки средней частоты и ширины спектра. Устройство для формирования низкочастотных доплеровских сигналов представлено на чертеже. Устройство содержит информационный вход 1₁, и вход 1₂синхронизации, дешифратор адреса 2, счетчик адреса 3, блок памяти 4, умножитель 5, сумматор 6, умножитель 7, преобразователь код-напряжение 8, аналоговый фильтр низких частот 9, умножители 10 и 11, блок памяти 12, умножитель 13, сумматор 14, умножитель 15, преобразователь код-напряжение 16, аналоговый фильтр 17, счетчик 18, регистр 19 ширины спектра, генератор 20 тактовых импульсов, регистр частоты 21, сумматор 22, блоки 23, 24 постоянной памяти, триггер знака 25, регистр амплитуды 26. Устройство работает следующим образом. Основой для построения устройства формирования низкочастотных доплеровских сигналов является математическая модель сигнала, описанная выражениями: U₁= Acos(ωt+ϕ) = a_ccosωt+a_ssinωt , (1) U₂= Asin(ωt+ϕ) = a_csinωt+a_scosωt , (2) где U₁, U₂ - мгновенные значения квадратурных низкочастотных составляющих доплеровского сигнала; А - случайная амплитуда сигналов, ω - текущее значение доплеровской частоты, ϕ - случайная фаза сигналов, t - текущее время, - средняя амплитуда сигналов,
a_c, a_s - независимые случайные косинусная и синусная огибающие сигналов (квадратурные составляющие). Мгновенные значения квадратурных низкочастотных составляющих доплеровского сигнала U₁, U₂ несут информацию о направлении движения объекта, на котором установлен доплеровский измеритель, по относительной фазе составляющих U₁ и U₂, текущей скорости, пропорциональной доплеровской частоте ω , высоте полета и характере отражающей поверхности, заключенной в амплитудах сигналов А, а_с, a_s, а также о ширине спектра доплеровского сигнала Δω , заключенной в скорости изменения амплитуд А, а, а_s. Подобную математическую модель имеют доплеровские сигналы при отражении от диффузно отражающей поверхности, например, типа земной. В устройстве функции формирования квадратурных составляющих доплеровского сигнала распределены между ЭВМ и внешними по отношению к ЭВМ устройствами. ЭВМ производит вычисление значений амплитуд а_с, a_s, а также параметров движения имитируемого объекта в нереальном времени и управление параметрами доплеровского сигнала ω , знак ω, Δω, в реальном времени развертывания сигнала. Полное формирование сигналов в соответствии с выражениями (1) и (2) производится во внешних устройствах. Устройство формирования низкочастотных доплеровских сигналов работает в двух режимах: в режиме подготовки и в рабочем режиме. Режим подготовки предшествует рабочему режиму и протекает в нереальном времени. Необходимость режима вызвана относительно низкой скоростью вычислений. ЭВМ, недостаточной для непосредственного формирования доплеровских сигналов. В режиме подготовки ЭВМ, во-первых, вычисляет значения амплитуд а_с и a_s и записывает их в блоки 4 и 12 через информационный вход, во-вторых, вычисляет параметры доплеровского сигнала ω , знак ω Δω , А, которые зависят от траектории движения имитируемого объекта, параметров его движения и характеристик отражающей поверхности сигнала. При вычислении амплитуд а_с и a_s сигналов ЭВМ производит генерацию случайных чисел, их преобразование по определенному закону распределения и их цифровую фильтрацию. В частном случае сформированные ЭВМ величины а_с и a_s являются независимыми, распределенными по нормальному закону с нулевым средним и гауссовой формой спектра. Вычисленные ЭВМ цифровые коды а_с и а_s последовательно выводятся из памяти ЭВМ и записываются в последовательные ячейки блоков памяти 4 и 12 через вход 1₁ под управлением сигналов синхронизации, передаваемых ЭВМ по входу 1₂. На выходе дешифратора адреса 2, связанном с генератором импульсов 20, возникает сигнал, отключающий выход генератора импульсов 20 от счетчика 18. Тем самым прекращается выдача импульсных сигналов с генератора 20 на счетчик 18 и со счетчика 18 на счетчик адреса 3, т.е. последние прекращают работу в счетном режиме. Далее на входе 1 выставляется адресный код счетчика адреса 3 и управляющий сигнал, а на выходе, связанном со счетчиком адреса 3, - адрес ячейки блоков памяти 4, 12, в которые будет введена информация. Дешифратор адреса 2 вырабатывает выходной сигнал, который подается на управляющий вход счетчика адреса 3 и в последний записывается адрес ячеек блоков 4, 12 со входа 1₁. Затем на входе 1 выставляется адресный код блока памяти 4 и управляющий сигнал, а на входе 1₁ - значение амплитуды доплеровского сигнала а_с. При этом дешифратор адреса 2 формирует на выходе, связанном с блоком 4, сигнал, который переводит блок 4 в режим записи информации со входа 1₁. Цифровой код амплитуды сигнала с шины данных записывает в ячейку блока 4, адрес которой выставлен на адресном выходе блока 4 со счетчика адреса 3. Аналогично третьей команде выполняется четвертая, по которой значение амплитуды доплеровского сигнала а_s записывается в блок 12. Потом модифицируется адрес ячеек блоков памяти 4 и 12 и запись информации будет происходить в последующие ячейки. Наконец производится подключение генератора 20 тактовых импульсов к счетчику 18, при этом счетчик 18 и счетчик адреса 3 начинают работать в счетном режиме. Кроме вычисления амплитуд а_с и a_s сигналов, ЭВМ в режиме подготовки производит вычисление параметров доплеровского сигнала. Эти параметры: средняя частота ω , знак частоты ω, ширина спектра сигнала Δω , средняя амплитуда сигнала - зависят от траектории движения имитируемого объекта, параметров его движения (координат положения, углов наклона, составляющих скорости) и характеристик отражающей поверхности сигнала. После окончания режима подготовки устройство переводится в рабочий режим формирования низкочастотных сигналов для подключенного к нему доплеровского измерителя скорости. По входу 1₁ последовательно устанавливаются в соответствии с текущим временем t параметры сигналов: средняя доплеровская частота ω , знак частоты ω, ширина спектра Δω и средняя амплитуда сигнала в соответствующие регистры: частоты 21, знака 25, ширины спектра 19 и амплитуды 26. Дешифратор адреса 2 вырабатывает выходной сигнал, который подается на вход регистра частоты 21. По этому сигналу с информационного входа регистра 21, связанного со входом 1₁, считывается информация о коде частоты и записывается в регистр частоты 21. Аналогичным образом производится пересылка информации в триггер знака 25, регистр ширины спектра 19, регистр амплитуды 26. В рабочем режиме устройство непрерывно формирует выходные сигналы в соответствии с устанавливаемыми управляющими параметрами ω , знака ω , Δω и . Работает устройство следующим образом. Элементы устройства - регистр частоты 21, генератор импульсов 20, сумматор 22, блоки памяти косинусного 23 и синусного 24 сигналов и триггер знака 25 формируют текущие цифровые коды, пропорциональные тригонометрическим функциям cos ωt и sin ωt. Цифровой код, пропорциональный средней доплеровской частоте ω , хранится в регистре частоты 21 и медленно изменяется под внешним управлением. Этот код с регистра частоты 21 подается на вход сумматора 22. На другой вход сумматора 22 поступает выходной результат сумматора 22, вычисленный на предыдущем шаге. Сумматор 22 образует текущую фазу тригонометрических функций в соответствии с выражением
ω t= ω t_i= ω t_i-1+ ω at, где ω t_i - значение фазы на i-м шаге вычислений;
ω t_i-1 - значение фазы на (i-1)-м шаге, поступающее с выхода сумматора;
ω Δt - приращение фазы, поступающее с регистра частоты 21. Работа сумматора 22 тактируется импульсам генератора 20 импульсов. Максимально возможное значение суммы ωt, при которой достигается ограничение разрядной сетки сумматора 22, соответствует фазе 360^о. После этого при дальнейшем суммировании происходит переполнение разрядной сетки сумматора и сброс текущей суммы к значению, близкому фазе 0^о. Таким образом, значение фазы, вычисленное сумматором 22, непрерывно меняется в пределах от 0 до 360^о. Текущий цифровой код фазы с выхода сумматора подается на адресные входы блоков 23 и 24. Выходные коды блоков 23 и 24 несут информацию о значениях функции cos ωt и sin ωt. Изменение знака частоты сигналов (направление скорости объекта) производится под управлением триггера знака 25, который переключает входной код блока 24 с прямого на обратный, и блок 24 меняет знак функции sin ωt. Образование функций со случайными амплитудами а_сcos ω t, a_ssin ω t, a_csin ω t, a_scos ω t в соответствии с выражениями (1) и (2) производится умножителями 5, 10, 11, 13. Отсчеты случайных амплитуд квадратурных составляющих а_с и a_s снимаются с блоков 4 и 12. Выбор цифровых кодов величин а_с и а_s производится из блоков 4 и 12 под управлением регистра 19 ширины спектра, генератора импульсов 20, счетчика 18 и счетчика адреса 3. Регистр 19 ширины спектра хранит управляемый по входу синхронизации дополнительный цифровой код, соответствующий ширине спектра доплеровского сигнала. Этот код определяет переменный коэффициент деления счетчика 18, который ведет счет импульсов, поступивших с генератора импульсов 20. Каждый раз, когда на выходе счетчика 18 появляется очередной импульс, он поступает на синхронизирующий вход этого счетчика и производит запись доплеровского кода ширины спектра в счетчик 18. Количество сосчитанных счетчиком 18 импульсов до достижения состояния переноса сигнала из старшего разряда на его выход после записи кода и определяет коэффициент деления. В свою очередь, период следования импульсов на выходе счетчика 18 определяет скорость смены кода адреса в счетчике адреса 3 и скорость считывания информации из ячеек блоков 4 и 12, а тем самым и ширину спектра сигналов а_с и а_s и результирующих доплеровских сигналов. Счетчик адреса 3 работает в счетном режиме, последовательно изменяя свои состояния и формируя текущий адрес ячеек блоков памяти 4, 12, из которых выводится информация. При увеличении ширины спектра сигнала под внешним управлением частота следования импульсов с выхода счетчика 18 в счетчик адреса 3 увеличивается и тем самым возрастает скорость вывода информации из блоков 4 и 12, а следовательно, и ширина спектра формируемых сигналов. Цифровые коды величины а_с, а_s с выходов блоков памяти 4 и 12 подаются на умножители 5, 10, 11, 13, на другие входы которых поступают цифровые коды значений сos ω t и sin ω t. Умножители 5, 10, 11, 13 производят попарное перемножение поступивших на их входы цифровых кодов. Выходные коды умножителей 5 и 10 поступают на входы сумматора 6, а выходные коды умножителей 11 и 13 - на входы сумматора 14. Сумматоры 6 и 14 производят сложение входных величин. Выходные коды сумматоров 6 и 14 пропорциональны значениям соответственно а_сcos ω t+a_ssin ω t a_ssin ω t+ +a_scos ω t. Эти коды подаются на входы соответственно умножителей 7 и 15. На другие входы последних поступает цифровой код, несущий информацию о средней амплитуде сигналов с регистра амплитуды 26, управляемого по входу синхронизации. Выходные цифровые коды умножителей 7 и 15 несут информацию о квадратурных составляющих полных низкочастотных доплеровских сигналов U₁, U₂ и соответствуют структуре выражений (1) и (2). Цифровые коды с выходов умножителей 7 и 15 подаются на соответствующие входы преобразователей код-напряжение 8 и 16, где преобразуются в непрерывные аналоговые сигналы гармонической формы со случайными амплитудами и фазами. Возникающие при преобразовании ступенчатые шумы преобразований сглаживаются выходными фильтрами (низкой частоты) 9 и 17. Таким образом, на двух квадратурных выходах устройства формируются низкочастотные доплеровские сигналы U₁ и U₂, которые несут информацию об управляемых параметрах: средней доплеровской частоте ω , знаке частоты, заключенной в относительной фазе сигналов U₁ и U₂, ширине спектра Δω , заключенной в скорости изменения амплитуд сигналов Аa, Аa, и амплитуде сигналов а_с, а_s.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ДОПЛЕРОВСКИХ СИГНАЛОВ, содержащее регистр частоты и регистр амплитуды, тактовые входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам дешифратора адреса, вход которого является входом синхронизации устройства, информационный вход которого подключен к информационным входам регистра частоты и регистра амплитуды, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения за счет увеличения диапазона выходных частот, задания и проверки отрицательных значений скоростей и независимой регулировки средней частоты и ширины спектра, в него введены счетчик адреса, счетчик , регистр ширины спектра, триггер знака, первый и второй блоки памяти, первый и второй блоки постоянной памяти, генератор тактовых импульсов, шесть умножителей, три сумматора, два преобразователя код-напряжение и первый и второй аналоговые фильтры, выходы которых являются выходами соответственно косинусной и синусной составляющих устройства, выход регистра частоты подключен к первому входу первого сумматора, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, адресному входу первого блока постоянной памяти и первому адресному входу второго блока постоянной памяти, выход которого подключен к первым входам первого и второго умножителей, выходы которых подключены к первым входам соответственно второго и третьего сумматоров, выходы которых подключены к первым входам соответственно третьего и четвертого умножителей, выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго преобразователей код-напряжение, выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго аналоговых фильтров, выход первого блока постоянной памяти подключен к первым входам пятого и шестого умножителей, выходы которых подключены к вторым входам соответственно второго и третьего сумматора, третий выход дешифратора адреса подключен к счетному входу счетчика адреса, информационный выход которого подключен к адресным входам первого и второго блоков памяти, выходы которых подключены: первого блока памяти - к вторым входам второго и пятого умножителей, второго - к вторым входам первого и шестого умножителей, четвертый выход дешифратора адреса подключен к тактовому входу регистра ширины спектра, выход которого подключен к информационному входу счетчика, выход переноса которого подключен к установочному входу счетчика адреса и входу обнуления счетчика, счетный вход которого подключен к первому выходу генератора тактовых импульсов, второй выход и вход запуска которого подключены соответственно к входу синхронизации первого сумматора и пятому выходу дешифратора адреса, шестой выход которого подключен к первому установочному входу триггера знака, выход которого подключен к второму адресному входу второго блока постоянной памяти, информационный вход устройства подключен к второму установочному входу триггера знака, информационным входам регистра ширины спектра, счетчика адреса и информационным входам первого и второго блоков памяти, адресные входы которых подключены к седьмому выходу дешифратора адреса.

РИСУНКИ

Рисунок 1